Linking biological soil crust attributes to the multifunctionality of vegetated patches and interspaces in a semiarid shrubland

Abstract

Understanding the importance of biotic community structure on ecosystem functioning, and whether communities inhabiting different microhabitats in highly heterogeneous areas provide different ecological functions is a challenge in ecological research in the face of biodiversity and habitat loss. Biological soil crusts (BSCs) have been largely treated as unique entities, and have been mostly examined in interspaces between perennial plants, limiting current understanding of their role as drivers of ecosystem functioning and their relative contribution in comparison to vascular plants. 2. We assessed the role of BSCs on ecosystem functioning in vegetated patches and interspaces, and how individual soil functions and ecosystem multifunctionality are related to changes in BSC species- and community-level attributes. We contemplated nine ecosystem functions associated with soil water dynamics, nutrient cycling and erosion potential. 3. We found that vegetated patches improve infiltration rates, soil stability and net potential nitrogen (N) mineralization compared to interspaces, and thus dominate multifunctionality. However, well developed BSCs improve soil moisture and N pool in both microsites, and are multifunctional stabilizing soils and regulating soil moisture and infiltration in the interspaces. BSC surface microstructure, including changes in total cover, species richness, morphological functional groups and surface discontinuities, has significant effects on soil moisture. Differences in soil N and phosphorous are mostly related to the presence of BSC-lichens. The effect of BSCs on multifunctionality varies in dependence of the particular set of functions that are sought to simultaneously maximize. 4. Our results suggest that vascular plants and BSCs have idiosyncratic effects on different key ecosystem functions and multifunction, and BSCs substitute vascular plants in stabilizing soils and regulating water dynamics in the interspaces. BSCs greatly contribute to small-scale heterogeneity in the functioning of vegetated patches and interspaces, hence consideration of BSCs in different microsites is essential for enhancing our understanding of their functional relevance at a regional scale. In addition, quantification of BSC microstructure is crucial, owing to the contrasting effects of BSC species-and community-level attributes on different functions and multifunction.

Comprender la importancia de la estructura de la comunidad biótica en el funcionamiento de los ecosistemas y si las comunidades que habitan diferentes microhábitats en áreas altamente heterogéneas proporcionan diferentes funciones ecológicas es un desafío en la investigación ecológica frente a la pérdida de biodiversidad y hábitat. Las costras biológicas del suelo (BSC) se han tratado en gran medida como entidades únicas y se han examinado principalmente en espacios intermedios entre plantas perennes, lo que limita la comprensión actual de su papel como impulsores del funcionamiento de los ecosistemas y su contribución relativa en comparación con las plantas vasculares. Evaluamos el papel de las BSC en el funcionamiento de los ecosistemas en parches y espacios intermedios con vegetación, y cómo las funciones individuales del suelo y la multifuncionalidad de los ecosistemas se relacionan con los cambios en los atributos a nivel de especies y comunidades de las BSC. Contemplamos nueve funciones del ecosistema asociadas con la dinámica del agua del suelo, el ciclo de nutrientes y el potencial de erosión. Descubrimos que los parches de vegetación mejoran las tasas de infiltración, la estabilidad del suelo y la mineralización potencial neta de nitrógeno (N) en comparación con los espacios intermedios y, por lo tanto, dominan la multifuncionalidad. Sin embargo, los BSC bien desarrollados mejoran la humedad del suelo y la acumulación de N en ambos micrositios, y son suelos multifuncionales que estabilizan y regulan la humedad del suelo y la infiltración en los espacios intermedios. La microestructura de la superficie del BSC, incluidos los cambios en la cobertura total, la riqueza de especies, los grupos funcionales morfológicos y las discontinuidades de la superficie, tiene efectos significativos sobre la humedad del suelo. Las diferencias en el N y el fósforo del suelo están relacionadas principalmente con la presencia de líquenes BSC. El efecto de los BSC sobre la multifuncionalidad varía dependiendo del conjunto particular de funciones que se busca maximizar simultáneamente. Nuestros resultados sugieren que las plantas vasculares y las BSC tienen efectos idiosincrásicos en diferentes funciones clave del ecosistema y multifuncionales, y las BSC sustituyen a las plantas vasculares en la estabilización de suelos y la regulación de la dinámica del agua en los espacios intermedios. Las BSC contribuyen en gran medida a la heterogeneidad a pequeña escala en el funcionamiento de parches y espacios intermedios con vegetación, por lo que la consideración de las BSC en diferentes micrositios es esencial para mejorar nuestra comprensión de su relevancia funcional a escala regional. Además, la cuantificación de la microestructura del BSC es crucial, debido a los efectos contrastantes de los atributos a nivel de especie y comunidad del BSC en diferentes funciones y multifuncionalidades.